CN117223228A - 用于fdd mimo通信的波束成形解决方案 - Google Patents

用于fdd mimo通信的波束成形解决方案 Download PDF

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CN117223228A CN202180097326.9A CN202180097326A CN117223228A CN 117223228 A CN117223228 A CN 117223228A CN 202180097326 A CN202180097326 A CN 202180097326A CN 117223228 A CN117223228 A CN 117223228A
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杨涛
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Abstract

本公开的实施例涉及用于FDD MIMO通信的波束成形解决方案。第一设备在第一信道中从第二设备接收参考信号，并且确定与第一信道相关联的协方差矩阵。第一设备基于与参考信号相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵，确定波束成形向量集合，并且在第二信道中基于波束成形向量集合执行到第二设备的传输。以这种方式，可以根据变换后的信道协方差矩阵来计算波束成形向量，同时考虑角扩展和不理想互易性。

Description

用于FDD MIMO通信的波束成形解决方案
技术领域
本公开的实施例总体上涉及电信领域，并且具体地涉及用于频分双工(FDD)多输入多输出(MIMO)通信的波束成形解决方案。
背景技术
当前基于波束网格(GoB)解决方案的FDD MIMO产品仍需要性能增强。特征(eigen)波束成形(EBF)被认为是下一代FDD MIMO产品的一个潜在特征。为了在FDD中实现EBF，在网络设备处需要关于下行链路(DL)信道的信息。与其中信道互易性成立的时分双工(TDD)不同，在FDD中从上行链路(UL)信道测量的信道状态信息(CSI)不能直接应用于DL波束成形设计。DL波束成形设计必须依赖于来自终端设备的CSI反馈，这将导致非常大的开销。
最近，对FDD的UL与DL之间的信道互易性进行了研究，研究表明，部分互易性可以在FDD中用于MIMO增强。然而，FDD MIMO中部分互易性的利用是不完整的，并且需要进行优化。
发明内容
总体上，本公开的示例实施例提供了一种用于FDD MIMO通信的波束成形解决方案。
在第一方面，提供了一种第一设备。第一设备包括：至少一个处理器；以及包括计算机程序代码的至少一个存储器。该至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与该至少一个处理器一起，使第一设备：在第一信道中从第二设备接收参考信号；确定与第一信道相关联的协方差矩阵；基于与参考信号相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵，确定波束成形向量集合；以及在第二信道中基于波束成形向量集合来执行到第二设备的传输。
在第二方面，提供了一种用于通信的方法。该方法包括：在第一设备处，在第一信道中，从第二设备接收参考信号；确定与第一信道相关联的协方差矩阵；基于与参考信号相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵，确定波束成形向量集合；以及在第二信道中基于波束成形向量集合来执行到第二设备的传输。
在第三方面，提供了一种用于通信的装置。该装置包括：用于在第一设备处在第一信道中从第二设备接收参考信号的部件；用于确定与第一信道相关联的协方差矩阵的部件；用于基于与参考信号相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵确定波束成形向量集合的部件；以及用于在第二信道中基于波束成形向量集合来执行到第二设备的传输的部件。
在第四方面，提供了一种非暂态计算机可读介质。非暂态计算机可读介质包括用于使装置执行根据第二方面的方法的程序指令。
应当理解，发明内容部分不旨在确定本公开的实施例的关键或基本特征，也不旨在用于限制本公开的范围。通过以下描述，本公开的其他特征将变得容易理解。
附图说明
现在将参考附图描述一些示例实施例，在附图中：
图1示出了可以在其中实现本公开的示例实施例的示例通信网络；
图2示出了示出根据本公开的一些实施例的用于通信的示例方法的流程图；
图3示出了示出根据本公开的一些实施例的用于确定波束成形向量集合的示例方法的流程图；
图4A示出了示出在城市微(Umi)信道模型下波束成形方案之间的几何平均频谱效率(SE)性能的示例比较的图；
图4B示出了示出在城市宏(Uma)信道模型下波束成形方案之间的几何平均SE性能的示例比较的图；
图5示出了示出各种信道协方差解决方案的角功率谱(APS)以及真实DL信道协方差与UL变换后的信道协方差之间的距离测量的图；
图6示出了适合于实现本公开的示例实施例的装置的简化框图；以及
图7示出了根据本公开的示例实施例的示例计算机可读介质的框图。
在整个附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。
具体实施方式
现在将参考一些示例实施例来描述本公开的原理。应当理解，描述这些实施例仅是为了说明和帮助本领域技术人员理解和实现本公开，并不表示对本公开的范围的任何限制。本文中描述的公开内容可以以除了下面描述的方式之外的各种其他方式来实现。
在以下描述和权利要求中，除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。
在本公开中，对“一个实施例”、“实施例”和“示例实施例”等的引用表明所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但并非每个实施例都必须包括特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定是指同一实施例。此外，当结合一个示例实施例描述特定特征、结构或特性时，本领域技术人员认为，无论是否明确描述，与其他实施例相结合来影响这样的特征、结构或特性都在本领域技术员的知识范围内。
应当理解，尽管术语“第一”和“第二”等可以在本文中用于描述各种元素，但这些元素不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元素与另一元素区分开来。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元素可以称为第二元素，并且类似地，第二元素可以称为第一元素。如本文中使用的，术语“和/或”包括所列术语中的一个或多个术语的任何和所有组合。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，而非旨在限制示例实施例。本文中使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。进一步理解，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”当在本文中使用时指定所述特征、元素和/或组件等的存在，但不排除一个或多个其他特征、元素、组件和/或其组合的存在或添加。
如本申请中使用的，术语“电路***”可以指代以下中的一项或多项或全部：
(a)纯硬件电路实现(诸如仅使用模拟和/或数字电路***的实现)，以及
(b)硬件电路和软件的组合，诸如(如适用)：
(i)(多个)模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及
(ii)具有软件的(多个)硬件处理器的任何部分，包括(多个)数字信号处理器、软件和(多个)存储器，其一起工作以使装置(诸如移动电话或服务器)执行各种功能，以及
(c)(多个)硬件电路和/或(多个)处理器，诸如(多个)微处理器或(多个)微处理器的一部分，其需要软件(例如，固件)
进行操作，但在不需要操作时软件可以不存。
该电路***的定义适合于该术语在本申请中的所有使用，包括在任何权利要求中。作为另一示例，如在本申请中使用的，术语电路***还涵盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或硬件电路或处理器的一部分及其随附软件和/或固件的实现。例如，如果适用于特定权利要求元素，则术语电路***还涵盖用于移动设备的基带集成电路或处理器集成电路、或者服务器、蜂窝网络设备或其他计算或网络设备中的类似集成电路。
如本文中使用的，术语“通信网络”是指遵循任何合适的通信标准的网络，诸如长期演进(LTE)、高级LTE(LTE-A)、宽带码分多址(WCDMA)、高速分组接入(HSPA)、窄带物联网(NB-IoT)等。此外，通信网络中终端设备与网络设备之间的通信可以根据任何合适的一代通信协议来执行，包括但不限于第一代(1G)、第二代(2G)、2.5G、2.75G、第三代(3G)、***(4G)、4.5G、未来的第五代(5G)通信协议、和/或当前已知或未来将要开发的任何其他协议。本公开的实施例可以应用于各种通信***。考虑到通信的快速发展，当然也会有未来类型的通信技术和***可以体现本公开。本公开的范围不应仅限于上述***。
如本文中使用的，术语“网络设备”是指通信网络中的节点，终端设备通过该节点接入网络并且从网络接收服务。网络设备可以是指基站(BS)或接入点(AP)，例如，节点B(NodeB或NB)、演进型NodeB(eNodeB或eNB)、NR NB(也称为gNB)、远程无线电单元(RRU)、无线电报头(RH)、远程无线电头端(RRH)、中继、低功率节点(诸如毫微微、微微)等，具体取决于所应用的术语和技术。
术语“终端设备”是指能够进行无线通信的任何终端设备。作为示例而非限制，终端设备也可以称为通信设备、用户设备(UE)、订户站(SS)、便携式订户站、移动站(MS)或接入终端(AT)。终端设备可以包括但不限于移动电话、蜂窝电话、智能电话、IP语音(VoIP)电话、无线本地环路电话、平板电脑、可穿戴终端设备、个人数字助理(PDA)、便携式计算机、台式计算机、诸如数码相机等图像捕获终端设备、游戏终端设备、音乐存储和播放设备、车载无线终端设备、无线端点、移动站、笔记本电脑嵌入式设备(LEE)、笔记本电脑安装式设备(LME)、USB加密狗、智能设备、无线客户驻地设备(CPE)、物联网(IoT)设备、手表或其他可穿戴设备、头戴式显示器(HMD)、车辆、无人机、医疗设备和应用(例如，远程手术)、工业设备和应用(例如，在工业和/或自动化处理链环境中操作的机器人和/或其他无线设备)、消费电子设备、在商业和/或工业无线网络上操作的设备等。在以下描述中，术语“终端设备”、“通信设备”、“终端”、“用户设备”和“UE”可以互换使用。
在第三代合作伙伴计划(3GPP)Rel-17中，FDD MIMO通信预期将依赖于在空域中利用FDD互易性。整个***的性能将取决于网络设备处的CSI的质量，该CSI将通过观察来自终端设备的UL探测参考信号(SRS)信号来获取。因此，增强补偿方案对于保证应用空间波束成形的网络设备处的DL CSI的可靠质量将是至关重要的。
如上所述，部分互易性可以在FDD中用于MIMO增强。在使用部分互易性的FDD的EBF中要解决的关键问题是从UL到DL或从DL到UL的信道协方差变换。
在常规解决方案中，提出了一种使用主到达方向(DoA)(也称为最大DoA)的协方差变换方法，以将上行链路信道协方差变换为其下行链路信道协方差。这种方法只有在存在一个DoA的情况下才能正确地补偿相位关系。如果由于散射而在主角周围存在中等或较大角扩展，则互易性将受到影响，并且将导致不同DoA。因此，性能将降低。在这种情况下，仅使用最大DoA对于信道协方差变换可能是不准确的。
为了解决上述和其他潜在问题，本公开的实施例提供了一种探索互易性的通用解决方案，以将信道协方差矩阵从UL变换到DL或从DL变换到UL。在该解决方案中，如果存在多个主到达角，则可以考虑多个主到达角来变换信道协方差矩阵，而不是仅考虑最大角度。以这种方式，可以根据变换后的信道协方差矩阵来计算波束成形向量，同时考虑角扩展和不理想(imperfect)互易性。
现在将参考附图详细描述本公开的一些示例实施例。然而，本领域技术人员将容易理解，本文中针对这些附图而给出的详细描述是为了解释目的，因为本公开扩展到这些有限的实施例之外。
通信网络的示例
图1示出了可以在其中实现本公开的实施例的示例通信网络100。根据本公开的实施例，通信网络100可以涉及FDD MIMO通信。如图1所示，通信网络100包括第一设备110和由第一设备110服务的第二设备120。第一设备110和第二设备120可以经由诸如无线通信信道等信道彼此通信。
如图1所示，第一设备110可以具有多个波束，诸如波束111、112和113，并且第二设备120可以具有多个波束，诸如波束121、122和123。信道(在这种情况下称为子信道)可以形成在波束111、112和113中的一个波束与波束121、122和123中的一个波束之间。第一设备110可以经由波束111、112和113中的一个或多个向第二设备120发送信息或从第二设备120接收信息。第二设备120可以经由波束121、122和123中的一个或多个向第一设备110发送信息或从第一设备110接收信息。波束的数目不限于图1所示的数目，并且或多或少的波束也是可行的。
为了说明，第一设备110被示出为网络设备，并且第二设备120被示出为终端设备。仅出于说明目的，而没有对本公开的范围提出任何限制，将在其中第一设备110是网络设备并且第二设备120是终端设备的上下文中描述一些实施例。应当理解，在其他实施例中，第一设备110可以是终端设备，并且第二设备120可以是网络设备。换言之，本公开的原理和精神可以应用于上行链路传输和下行链路传输两者。
还应当理解，图1所示的第一设备和第二设备的数目仅用于说明目的，而没有提出任何限制。网络100可以包括适于实现本公开的实施例的任何合适数目的第一设备和第二设备。
网络100中的通信可以符合任何合适的标准，包括但不限于LTE、LTE演进、高级LTE(LTE-A)、宽带码分多址(WCDMA)、码分多址(CDMA)和全球移动通信***(GSM)等。此外，通信可以根据当前已知的或将来要开发的任何一代通信协议来执行。通信协议的示例包括但不限于第一代(1G)、第二代(2G)、2.5G、2.75G、第三代(3G)、***(4G)、4.5G、第五代(5G)通信协议。
在一些场景中，第一设备110可以在第一信道中从第二设备120接收UL参考信号(RS)，诸如SRS。基于UL RS的接收，第一设备110可以执行信道估计以获取UL信道协方差矩阵。然后，第一设备110可以将UL信道协方差矩阵变换为其DL信道协方差矩阵，以便确定DL波束成形向量。基于DL波束成形向量，第一设备110可以在第二信道中执行到第二设备120的传输。在这种情况下，第一信道是UL信道，并且第二信道是DL信道。第一信道和第二信道可以具有相应载波频率。
在一些其他场景中，第二设备120可以在第一信道中从第一设备110接收DL RS，诸如CSI-RS。基于DL RS的接收，第二设备120可以执行信道估计以获取DL信道协方差矩阵。然后，第二设备120可以将DL信道协方差矩阵变换为其UL信道协方差矩阵，以便确定UL波束成形向量。基于UL波束成形向量，第二设备120可以在第二信道中执行到第一设备110的传输。在这种情况下，第一信道是DL信道，并且第二信道是UL信道。第一信道和第二信道可以具有不同载波频率。
常规的解决方案仅使用最大主到达角来变换信道协方差矩阵。该解决方案仅限于主角情况，而没有考虑由于例如散射而引起的角扩展情况。
鉴于此，本公开的实施例提供了一种用于在考虑角扩展和不理想互易性的情况下执行信道协方差变换的解决方案。在本解决方案中，如果所考虑的波束成形向量的数目大于第一预定数目并且APS中检测到的角峰值的数目大于第二预定数目，则可以执行UL信道协方差矩阵的多角度确定和累加倍数变换的实现。特别地，为了检测第二峰值是否显著，应用阈值γth，以便将该阈值与最强峰值进行比较。例如，如果第二峰值p2大于γth×p1，其中p1是最强峰值，则应用根据本解决方案的多角度补偿。下面将结合图2-图5对更多细节进行描述。
波束成形的示例实现
图2示出了根据本公开的一些实施例的用于通信的示例方法200的流程图。方法200可以在图1所示的第一设备110或第二设备120处实现。出于讨论的目的，将参考图1描述方法200，并且假定方法200在第一设备110处实现。应当理解，方法200还可以包括未示出的附加框和/或省略一些示出的框，并且本公开的范围在这方面不受限制。
如图2所示，在框210，第一设备110在第一信道中从第二设备120接收RS。在一些实施例中，第一信道可以是UL信道。在一些实施例中，第一信道可以是DL信道。
在其中第一设备110是网络设备并且第二设备120是终端设备(即，第一信道是UL信道)的一些实施例中，RS可以是UL RS。例如，UL RS可以是SRS、解调参考信号(DMRS)或任何其他现有或将要开发的合适的UL RS。在其中第一设备110是终端设备并且第二设备120是网络设备(即，第一信道是DL信道)的一些实施例中，RS可以是DL RS。例如，DL RS可以是CSI-RS、小区参考信号(CRS)、DMRS、PRS或任何其他现有或将要开发的合适的DL RS。
在框220，第一设备110确定与第一信道相关联的协方差矩阵。例如，第一设备110可以对第一信道执行信道估计以获取协方差矩阵。应当理解，用于获取协方差矩阵的任何合适的方式都是可行的。
在框230，第一设备110基于与RS相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵来确定波束成形向量集合。根据本公开的实施例，如果存在多个主到达角，则可以使用多个主到达角来变换协方差矩阵以用于FDD中的波束成形设计。以这种方式，可以实现针对FDD MIMO通信中的角扩展和不理想互易性的更高的稳健性。
在一些实施例中，波束成形向量可以是EBF向量。当然，波束成形向量可以是用于任何其他合适的波束成形方案的向量。
在一些实施例中，第一设备110可以确定主到达角。例如，第一设备110可以基于APS来确定主到达角。当然，用于确定主到达角的任何其他合适的方法也是可行的。
在一些实施例中，如果主到达角的数目高于第一预定数目并且波束的数目高于第二预定数目，则第一设备110可以基于协方差矩阵和与主到达角相关联的变换矩阵来确定波束成形向量集合。换言之，第一设备110可以基于多个主到达角来确定波束成形向量集合。
在一些实施例中，如果主到达角的数目等于或低于第一预定数目或者波束的数目等于或低于第二预定数目，则第一设备110可以基于协方差矩阵和与主到达角中的第一角度相关联的变换矩阵来确定波束成形向量集合。换言之，第一设备110可以基于单个主到达角来确定波束成形向量集合。
为了清楚起见，下面将参考图3对波束成形向量集合的确定进行更详细的描述。图3示出了根据本公开的一些实施例的用于确定波束成形向量集合的示例方法300的流程图。方法300可以在图1所示的第一设备110或第二设备120处实现。出于讨论的目的，将参考图1描述方法300，并且假定方法300在第一设备110处实现。应当理解，方法300还可以包括未示出的附加框和/或省略一些示出的框，并且本公开的范围在这方面不受限制。
如图3所示，在框310，第一设备110可以基于协方差矩阵和与第一设备110相关联的阵列响应来生成APS。在一些实施例中，第一设备110可以使用如下面的等式(1)所示的Bartlett波束成形来计算APS。
其中ρU(θ)表示针对角度θ的APS，aU(θ)表示针对角度θ的在第一信道的载波频率下的阵列响应，RU表示协方差矩阵。需要注意的是，这仅仅是一个示例，并且APS也可以通过任何其他合适的方式生成。
在框320，第一设备110可以从APS中提取高于阈值峰值的角峰值作为主到达角。在一些实施例中，阈值峰值可以是预定义的。在一些实施例中，阈值峰值可以预先配置或配置。
在一些实施例中，主到达角可以通过确定与APS的r个峰值相对应的角度来获取。为了方便起见，主到达角表示为θm，m＝1，...，r，其中r表示正整数。例如，峰值的确定可以根据下面的等式(2)来执行。
其中ρU(θ)表示针对角度θ的APS，γth表示阈值峰值，并且可以被选择为诸如γth＝0.1，并且|ρU(θmax)|对应于最强峰值。
在框330，第一设备110可以确定主到达角的数目是否高于第一预定数目。在一些实施例中，第一预定数目可以为1。当然，第一预定数目可以是任何其他合适的数目。
如果主到达角的数目高于第一预定数目，则该过程可以进行到框340。在框340，第一设备110可以确定波束的数目是否高于第二预定数目。在一些实施例中，第二预定数目可以为1。当然，第二预定数目可以是任何其他合适的数目。在其中使用交叉偏振阵列的一些实施例中，对于每个偏振，第一设备110可以确定波束的数目是否高于第二预定数目。
如果波束的数目高于第二预定数目，则该过程可以进行到框350。在框350，第一设备110可以基于协方差矩阵和与主到达角相关联的变换矩阵来确定变换后的协方差矩阵。例如，第一设备110可以如下面的等式(3)所示来确定变换后的协方差矩阵。
其中表示变换后的协方差矩阵，r表示主到达角的数目，RU表示协方差矩阵，并且T(θm)表示针对角度θm的变换矩阵。在一些实施例中，T(θm)可以是对角线的，并且通过如下面的等式(4)所示的阵列响应来计算。
其中[X]nn、[x]n分别表示矩阵X的第n行第n列和向量x的第n元素。aU(θ)表示针对角度θ的在第一信道的载波频率下的阵列响应，并且aU(θ)表示针对角度θ的在第二信道的载波频率下的阵列响应。
如果在框330处确定主到达角的数目等于或低于第一预定数目，则该过程可以进行到框360。如果在框340处确定波束的数目等于或低于第二预定数目，则该过程也可以进行到框360。
在框360，第一设备110可以基于协方差矩阵和与主到达角中的角度(为了方便，这里也称为第一角度)相关联的变换矩阵来确定变换后的协方差矩阵。在一些实施例中，第一角度可以是主到达角中的最大角度。例如，第一设备110可以如下面的等式(5)所示来确定变换后的协方差矩阵。
其中θmax是主到达角中的最大角度，表示变换后的协方差矩阵，RU表示协方差矩阵，并且T(θmax)表示针对角度θmax的变换矩阵。
在一些替代实施例中，第一角度可以是主到达角中的第二最大角度。当然，主到达角中的任何其他合适的角度也是可行的。
在确定变换后的协方差矩阵之后，该过程可以进行到框370。在框370，第一设备110可以根据变换后的协方差矩阵来确定波束成形向量集合。在一些实施例中，第一设备110可以如等式(6)所示对变换后的协方差矩阵应用特征值分解(EVD)：
其中表示变换后的协方差矩阵，/>表示特征向量的矩阵，并且/>表示在其对角线上具有特征值的矩阵。
然后，第一设备110可以如等式(7)所示来确定波束成形向量集合：
其中WD表示波束成形向量集合，s表示波束的数目(即，波束成形向量的数目)。需要注意的是，这仅仅是一个示例，并且用于根据变换后的协方差矩阵来确定波束成形向量集合的任何其他合适的方式也是可行的。
下面，将对协方差矩阵变换(即，上述等式(3)和(5)的推导)进行更详细的描述。假定第一设备110具有N个天线元件。具有N个天线元件的均匀线性阵列的阵列响应可以写为等式(8)：
其中a(θ)表示第一信道或第二信道中针对角度θ的阵列响应，fc表示第一信道或二信道的载波频率，c表示光速，d表示两个相邻天线元件之间的距离(假定针对UL和DL两者是相同的)。应当理解，如果fc表示第一信道的载波频率，则a(θ)对应于等式(4)中的aU(θ)。如果fc表示第二信道的载波频率，则a(θ)对应于等式(4)中的aD(θ)。
关于阵列响应的UL与DL变换之间的关系可以表示为下面的等式(9)。
aD(θj)＝T(θj)aU(θj) (9)
其中aU(θj)表示针对角度θj的在第一信道的载波频率下的阵列响应，并且aD(θj)表示针对角度θj的在第二信道的载波频率下的阵列响应。T(θj)表示由下面的等式(10)书写的一般变换矩阵。
其中fD表示第二信道的载波频率，并且fU表示第一信道的载波频率，c表示光速，d表示两个相邻天线元件之间的距离(假定对于UL和DL两者是相同的)，并且N表示第一设备110的天线元件的数目。
用于UL的协方差矩阵可以分别写为下面的等式(11)。
其中RU表示用于UL的协方差矩阵，ρU(θ)对应于UL APS函数，并且aU(θ)表示针对角度θ的在第一信道的载波频率下的阵列响应。
用于DL的协方差矩阵可以分别写为下面的等式(12)。
其中RD表示用于DL的协方差矩阵，ρD(θ)对应于DL APS函数，并且aD(θ)表示针对角度θ的在第二信道的载波频率下的阵列响应。。
通常，ρU(θ)≈ρD(θ)适用于FDD互易性。基于以上内容，可以获取等式(13)。
其中RD表示用于DL的协方差矩阵，ρU(θ)对应于UL APS函数，并且aU(θ)表示针对角度θ的在第一信道的载波频率下的阵列响应，并且T(θ)表示变换矩阵。T(θ)也可以被认为是关于专用角度的旋转矩阵。
在考虑使用主到达角的最大复相移的情况下，等式(5)可以根据等式(13)来获取。旋转或变换的影响不会显著影响信道协方差的子空间，并且也可以被认为是协方差矩阵的采样。当存在较大角扩展时，这种变换可能无效。因此，考虑如等式(3)所示的多个变换，其可以维持信道的主子空间，但调节波束成形向量的相位，这可以更好地适应存在较大角扩展和不理想互易性的情况。
尽管以上描述是结合均匀线性阵列进行的，但根据本公开的实施例的协方差矩阵变换也可以应用于均匀矩形阵列(URA)。在用于URA的一些实施例中，用于计算协方差矩阵和估计主到达角的高效实现是分离方位角和仰角阵列响应向量，分别由RH和RV以及aH和aV表示。换言之，每个维度都是单独补偿的。分别实现了对应角度提取和协方差变换。波束成形向量也将根据方位角和仰角信道协方差来获取，并且这两个方向的Kronecker乘积将是最终的波束成形向量。
一旦乘积的计算复杂度可以承受信道协方差矩阵的联合二维(2D)计算，则2D中协方差矩阵变换的实现可以由下面的等式(14)表示
其中表示变换后的协方差矩阵，r表示主到达角的数目，RU表示协方差矩阵，θm、φm表示在方位角和仰角方向上来自UL 2D APS的所确定的角峰值，并且T(θm，φm)表示针对方位角峰值θm和仰角峰值φm的变换矩阵。2D APS可以被写为下面的等式(15)。
其中ρU(θ，φ)表示针对方位角θ和仰角φ的APS，aU(θ，φ)表示针对方位角θ和仰角φ的在第一信道的载波频率下的阵列响应，并且RU表示协方差矩阵。
2D情况下的变换矩阵T(θ，φ)可以类似地通过第一信道和第二信道中的阵列响应来计算，如下面的等式(16)所示。
其中[X]nn、，[x]n分别表示矩阵X的第n行第n列和向量x的第n元素。T(θ，φ)表示针对方位角θ和仰角φ的变换矩阵。aU(θ，φ)表示针对方位角θ和仰角φ的在第一信道的载波频率下的阵列响应，并且aD(θ，φ)表示针对方位角θ和仰角φ的在第二信道的载波频率下的阵列响应。
对应波束成形向量可以通过等式(14)根据完全变换后的协方差矩阵来获取。
到目前为止，描述了波束成形向量集合的确定。再次参考图2，在框240，第一设备110在第二信道中基于波束成形向量集合执行到第二设备120的传输。在其中第一信道是UL信道的一些实施例中，第二信道可以是DL信道。在其中第一信道是DL信道的一些实施例中，第二信道可以是UL信道。
在一些实施例中，第一设备110可以基于波束成形向量集合向第二设备120发送另一RS。例如，第一设备110可以向第二设备120发送CSI-RS。在一些替代实施例中，第一设备110可以基于波束成形向量集合向第二设备120发送数据。应当理解，本公开没有对此进行限制，并且波束成形向量集合可以用于任何合适的传输。
根据结合图2和图3描述的解决方案，可以提供针对FDD MIMO通信中的角扩展和不理想互易性的更高的稳健性。参考图4A和图4B，将描述在发生较大角扩展或多个主到达角的情况下本解决方案的性能评估。
图4A示出了示出在Umi信道模型下波束成形方案之间的几何平均SE性能的示例比较的图400A。图4B示出了示出在Uma信道模型下波束成形方案之间的几何平均SE性能的示例比较的图400B。这里，在第一级应用强制零预编码，并且在第二级应用不同波束成形方案。在图4A和图4B中，解决方案“DL EBF”是指上限解决方案，其中DL信道直接用于计算EBF向量。解决方案“DL GoB”是指基于GoB的FDD MIMO解决方案(过采样因子为4的DFT码本)。解决方案“UL EBF gAngle”是指通过应用基于多角度的协方差变换而进行的当前解决方案。解决方案“UL EBF DDoA”是指其中只有一个主到达方向用于协方差变换的解决方案。解决方案“UL EBF”是指其中直接根据UL来计算EBF向量的情况。表1中列出了模拟参数的示例。模拟参数包括信道模型参数和所使用的阵列几何结构。
表1模拟参数的示例
应用空间波束成形以将64个收发器单元(TXRU)聚合为4个天线端口。显式CSI反馈从第二设备120发送到第一设备110，以便建立ZF MU-MIMO预编码器。假定秩2传输。这里使用阈值γth＝0.1在解决方案“UL EBF gAngle”与解决方案“UL EBF DDoA”之间切换。
从图4A和图4B中可以看出，补偿对于400MHz的频率双工间隔是有益的。在Uma和Umi都存在较大角扩展和多个角度的情况下，本解决方案“UL EBF gAngle”优于解决方案“UL EBF DDoA”，并且与作为当前FDD MIMO解决方案并且性能超过上限解决方案“DL EBF”的90％的解决方案“DL GoB”相比，实现了12％至17％的增益。
图5示出了示出各种信道协方差解决方案的APS以及真实DL信道协方差与UL变换后的信道协方差之间的距离测量的图500。假定针对所有可能的角度θi(i∈Ω)执行单角度变换UL APS 510、真实DL APS 520、基于DDoA的估计DL APS 530和基于gAngle的估计DL APS 540(即，本解决方案)如图5所示。Euclidean距离550和Chordal距离560是在真实DL信道协方差RD与UL变换后的信道协方差矩阵/>之间计算的。
可以观察到，在APS中存在两个主角度，并且对于单角度变换，可能在与最大DoA不对应的角度处观察到最小距离。因此，最大DoA变换可能不适用于多角度信道的情况，并且根据本解决方案的多角度变换优于最大DoA转换。
装置和设备的示例实现
相应地，本公开的实施例还提供了一种用于通信的装置和设备。在一些实施例中，一种能够执行方法200至300中的任何一个的装置(例如，第一设备110)可以包括用于执行方法200到300的相应步骤的部件。该部件可以以任何合适的形式实现。例如，该部件可以在电路***或软件模块中实现。
在一些实施例中，该装置包括用于在第一设备处在第一信道中从第二设备接收参考信号的部件；用于确定与第一信道相关联的协方差矩阵的部件；用于基于与参考信号相关联的主到达角的数目和与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据协方差矩阵来确定波束成形向量集合的部件；以及用于在第二信道中基于波束成形向量集合来执行到第二设备的传输的部件。
在一些实施例中，用于确定波束成形向量集合的部件可以包括用于确定主到达角的部件；用于根据确定主到达角的数目高于第一预定数目并且波束的数目高于第二预定数目，基于协方差矩阵和与主到达角相关联的变换矩阵来确定波束成形向量集合的部件；以及用于根据确定主到达角的数目等于或低于第一预定数目或者波束的数目等于或低于第二预定数目，基于协方差矩阵和与主到达角中的第一角度相关联的变换矩阵来确定所述波束成形向量集合的部件。
在一些实施例中，用于确定主到达角的部件包括：用于基于协方差矩阵和与第一设备相关联的阵列响应来生成角功率谱的部件；以及用于从角功率谱中提取高于阈值峰值的角峰值作为主到达角的部件。
在一些实施例中，第一预定数目可以为1，并且第二预定数目可以为1。在一些实施例中，第一角度可以是主到达角中的最大角度。
在一些实施例中，第一设备可以是网络设备，并且第二设备可以是终端设备。在一些实施例中，第一设备可以是终端设备，并且第二设备可以是网络设备。
图6是适合于实现本公开的实施例的设备600的简化框图。设备600可以用于实现第一设备或第二设备，例如图1所示的第一设备110或第二设备120。如图所示，设备600包括一个或多个处理器610、耦合到处理器610的一个或多个存储器620、以及耦合到处理器610的一个或多个通信模块640(诸如发送器和/或接收器)。
通信模块640用于双向通信。通信模块640具有至少一个天线以促进通信。通信接口可以表示与其他网络元件通信所必需的任何接口。
处理器610可以是适合本地技术网络的任何类型，并且作为非限制性示例，可以包括以下中的一种或多种：通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器。设备600可以具有多个处理器，诸如在时间上从属于与主处理器同步的时钟的专用集成电路芯片。
存储器620可以包括一个或多个非易失性存储器和一个或多个易失性存储器。非易失性存储器的示例包括但不限于只读存储器(ROM)624、电可编程只读存储器(EPROM)、闪存、硬盘、压缩盘(CD)、数字视频磁盘(DVD)和其他磁存储装置和/或光存储装置。易失性存储器的示例包括但不限于随机存取存储器(RAM)622和不会在断电期间持续的其他易失性存储器。
计算机程序630包括由相关联的处理器610执行的计算机可执行指令。程序630可以可以存储在ROM 624中。处理器610可以通过将程序630加载到RAM 622中来执行任何合适的动作和处理。
本公开的实施例可以通过程序630来实现，使得设备600可以执行参考图2至图3讨论的本公开的任何过程。本公开的实施例也可以通过硬件或软件和硬件的组合来实现。
在一些实施例中，程序630可以有形地包含在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以被包括在设备600中(诸如存储器620中)或设备600可以接入的其他存储设备中。设备600可以将程序630从计算机可读介质加载到RAM 622以供执行。计算机可读介质可以包括任何类型的有形非易失性存储器，诸如ROM、EPROM、闪存、硬盘、CD、DVD等。图7示出了CD或DVD形式的计算机可读介质700的示例。计算机可读介质上存储有程序630。
通常，本公开的各种实施例可以使用硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。一些方面可以使用硬件实现，而其他方面可以使用可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现。尽管本公开的实施例的各个方面被图示和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的块、装置、***、技术或方法可以使用硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备、或其某种组合来实现。
本公开还提供有形地存储在非暂态计算机可读存储介质上的至少一种计算机程序产品。计算机程序产品包括计算机可执行指令，诸如程序模块中包括的指令，该指令在目标真实或虚拟处理器上的设备中执行，以执行上面参考图2至图3描述的方法200至300。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、库、对象、类、组件、数据结构等。在各种实施例中，程序模块的功能可以根据需要在程序模块之间组合或拆分。程序模块的机器可执行指令可以在本地或分布式设备内执行。在分布式设备中，程序模块可以位于本地和远程存储介质两者中。
用于执行本公开的方法的程序代码可以以一种或多种编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码在由处理器或控制器执行时使得在流程图和/或框图中指定的功能/操作被实现。程序代码可以完全在机器上、部分在机器上、作为独立软件包、部分在机器上和部分在远程机器上、或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，计算机程序代码或相关数据可以由任何合适的载体承载，以使得设备、装置或处理器能够执行如上所述的各种过程和操作。载体的示例包括信号、计算机可读介质等。
计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读介质可以包括但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***、装置或设备、或前述各项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例将包括具有一根或多根电线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备、或前述各项的任何合适的组合。
此外，虽然以特定顺序描述操作，但这不应当被理解为需要以所示特定顺序或按顺序执行这样的操作或者执行所有所示操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。同样，虽然在上述讨论中包含了若干具体实现细节，但这些不应当被解释为对本公开的范围的限制，而是对可能特定于特定实施例的特征的描述。在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实现。
尽管本公开已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言进行了描述，但是应当理解，在所附权利要求中定义的本公开不一定限于上述特定特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (16)

1.一种第一设备，包括：
至少一个处理器；以及
至少一个存储器，包括计算机程序代码，
所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起，使所述第一设备：
在第一信道中，从第二设备接收参考信号；
确定与所述第一信道相关联的协方差矩阵；
基于与所述参考信号相关联的主到达角的数目、以及与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据所述协方差矩阵来确定所述波束成形向量集合；以及
在第二信道中，基于所述波束成形向量集合来执行到所述第二设备的传输。
2.根据权利要求1所述的第一设备，其中所述第一设备被使得通过以下项确定所述波束成形向量集合：
确定所述主到达角；
根据确定所述主到达角的所述数目高于第一预定数目、并且所述波束的数目高于第二预定数目，基于所述协方差矩阵、以及与所述主到达角相关联的变换矩阵，确定所述波束成形向量集合；以及
根据确定所述主到达角的所述数目等于或低于所述第一预定数目、或者所述波束的数目等于或低于所述第二预定数目，基于所述协方差矩阵、以及与所述主到达角中的第一角度相关联的变换矩阵，确定所述波束成形向量集合。
3.根据权利要求2所述的第一设备，其中所述第一设备被使得通过以下项确定所述主到达角：
基于所述协方差矩阵、以及与所述第一设备相关联的阵列响应，生成角功率谱；以及
从所述角功率谱中提取高于阈值峰值的角峰值，作为所述主到达角。
4.根据权利要求2所述的第一设备，其中所述第一预定数目为1，并且所述第二预定数目为1。
5.根据权利要求2所述的第一设备，其中所述第一角度是所述主到达角中的最大角度。
6.根据权利要求1所述的第一设备，其中所述第一设备是网络设备，并且所述第二设备是终端设备。
7.根据权利要求1所述的第一设备，其中所述第一设备是终端设备，并且所述第二设备是网络设备。
8.一种用于通信的方法，包括：
在第一设备处，在第一信道中从第二设备接收参考信号；
确定与所述第一信道相关联的协方差矩阵；
基于与所述参考信号相关联的主到达角的数目、以及与波束成形向量集合相关联的波束的数目，根据所述协方差矩阵来确定所述波束成形向量集合；以及
在第二信道中，基于所述波束成形向量集合来执行到所述第二设备的传输。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述波束成形向量集合包括：
确定所述主到达角；
根据确定所述主到达角的所述数目高于第一预定数目、并且所述波束的数目高于第二预定数目，基于所述协方差矩阵、以及与所述主到达角相关联的变换矩阵，确定所述波束成形向量集合；以及
根据确定所述主到达角的所述数目等于或低于所述第一预定数目、或者所述波束的数目等于或低于所述第二预定数目，基于所述协方差矩阵、以及与所述主到达角中的第一角度相关联的变换矩阵，确定所述波束成形向量集合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述主到达角包括：
基于所述协方差矩阵、以及与所述第一设备相关联的阵列响应，生成角功率谱；以及
从所述角功率谱中提取高于阈值峰值的角峰值，作为所述主到达角。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一预定数目为1，并且所述第二预定数目为1。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一角度是所述主到达角中的最大角度。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一设备是网络设备，并且所述第二设备是终端设备。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一设备是终端设备，并且所述第二设备是网络设备。
15.一种用于通信的装置，包括：
用于在第一设备处、在第一信道中从第二设备接收参考信号的部件；
用于确定与所述第一信道相关联的协方差矩阵的部件；
用于基于与所述参考信号相关联的主到达角的数目以及与波束成形向量集合相关联的波束的数目、根据所述协方差矩阵来确定所述波束成形向量集合的部件；以及
用于在第二信道中基于所述波束成形向量集合来执行到所述第二设备的传输的部件。
16.一种非暂态计算机可读介质，包括用于使装置执行根据权利要求8至14中任一项所述的方法的程序指令。
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